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操作系统硬件调试器的设计与实现 张晔 2002年6月6日 内容摘要 本文将讨论基于硬件的操作系统调试器的设计与实现问题，共有5 部分： 背景介绍 系统设计与实现 当前实现情况 问题与改进措施 应用前景 背景介绍 本系统开发的初衷时为了支持项目小组的操作系统开发 各种计算机模拟器都有很大的弊端： 模拟速度很慢 无法与真正的计算机达成一致 模拟器的行为依赖于所处的操作系统 设计与实现 本段内容包括如下部分： 系统结构设计 面临的问题 问题的解决方案 系统结构设计 三层Client/Server结构： 面临的问题 TCP/IP网络通信 GDB远程调试协议 串行通信接口编程 执行控制机构设计与实现 TCP/IP网络通信 利用MFC提供的类CAsyncSocket实现，该类是Socket函数的封装，并使用了Windows编程的消息机制 该类的成员函数列表如下： GDB远程调试协议 远程调试概念：两台计算机，一台作为调试服务器，另一台作为调试客户机， 构成Client/Server模型。调试客户机向调试服务器发送基本调试命令，调试服务器回送命令执行结果。 GDB远程调试协议：调试服务器与调试客户机之间用于交换信息的程规。其一般形式为： { [+] [ $ [ Command|Result ] # checksum ] } | {-} 协议中定义的基本命令分为如下几类： 存储器访问类命令 寄存器访问类命令 程序执行控制类命令 各种命令形式及其返回形式如下表所示： 串行通信接口编程 本调试系统中使用的串行通信接口是标准的8250UART（通用异步接收/发送器），现在计算机上的串行通信接口都是与8250完全兼容的 一般串行通信模型： 串行通信接口编程 直接写端口方式 Windows API方式 执行控制机构 描述 执行控制机构负责最终的调试命令的执行，可以被看作调试器的内核。它接收基本调试命令，并将结果返回 问题与解决方案 执行控制机构的位置 对于i386体系结构的计算机，由于提供了对单步和断点功能的支持，所以执行控制机构放在1号（单步中断）和3号（断点中断）中断的处理函数中。 断点的实现策略 调试器自动将断点处的指令替换为“int 3”指令，所以执行控制机构无需作特殊处理。 单步实现策略 对于i386体系结构的计算机，通过设置其标志寄存器中的TF位（第8位）来实现。 目前实现情况 系统效果 下表中给出本调试系统与模拟器在某些性能上的大致对比。其中的数值都是以量级表示。 源程序说明 在源程序包的目录下包括两个目录：DebugServer与KernelDebugger。DebugServer目录包含有调试服务器的实现代码，而KernelDebugger包含有执行控制机构的实现代码。更详细的说明请参见论文描述。 尚存问题与改进 串口的通信速度较慢（但还可以接受），以至于影响了调试速度； 解决方案： 将串口改为并口或采用网络通信。 调试器无法真正完全控制被调试的操作系统，一些调试器理应具有的功能未能实现； 解决方案： 加入“微型操作系统”。 一次只能由一个调试者进行调试，调试效率低； 解决方案 加入“微型操作系统”。 应用前景 提供对操作系统的硬件级调试 提供对各种底层软件（如驱动程序等）的硬件级调试 作为熟悉操作系统以及其调试方法的教学 参考资料 《Visual C++ 6.0网络编程技术》 雷斌等 人民邮电出版社 《UNIX环境高级编程》 W.Richard Stevens 机械工业出版社 《串行通信开发指南》 Mark Nelson 中国水利水电出版社 《Embedding with GNU:The gdb Remote Serial Protocol》 Bill Gatliff 衷心感谢所有在这个过程中帮助过我的人们。 首先要感谢龚育昌教授给予我这个写论文的机会； 其次，最要感谢的是李宏博士，本文的设计源于他的构思，整个系统的设计与实现过程也是由他指导； 最后，还要感谢吴明乔博士、陈香兰博士等，他们在整个过程中提供了各种帮助与支持。 * * 计算机 调试服务器 计算机 串行通信 远程调试器1 远程调试器2 远程调试器3 计算机 远程调试协议 远程调试协议 调试者 调试者 调试者 被调试的操作系统内核 执行控制机构 函数名作用 函数名作用 CAsyncSocket构造函数 CAsyncSocket构造函数 Create创建一个Socket Create创建一个Socket Accept接受连接请求 Accept接受连接请求 Close关闭连接 Close关闭连接 Listen监听连接请求 Listen监听